近年來，輕質(zhì)、高強度、可變形且多功能的纖維在智能紡織品、柔性電子、航空航天和能源存儲器件等領域展現(xiàn)出巨大的應用前景。其中，碳化鈦（Ti?C?T?）MXene作為一種新興的二維過渡金屬碳化物，集優(yōu)異的力學和電學性能于一身，是構建此類纖維的理想基元。然而，如何將MXene納米片組裝成宏觀高性能纖維仍面臨重大挑戰(zhàn)。在濕法紡絲等制備過程中，納米片因干燥過程中的毛細管收縮而產(chǎn)生橫向皺紋，導致纖維內(nèi)部產(chǎn)生大量空隙和納米片排列不齊，嚴重劣化了宏觀纖維的力學、電學性能和環(huán)境穩(wěn)定性，阻礙了其實際應用。

近日，中科大程群峰、萬思杰課題組報道了一種連續(xù)制備高性能MXene纖維的新策略。該工作通過結合同軸濕法紡絲輔助的徑向限制工藝與卷對卷輔助的軸向拉伸工藝，在近室溫條件下，成功制備出了具有接近千兆帕拉伸強度和高導電性的MXene纖維。濕紡出的MXene纖維首先通過鈣離子（Ca2?）橋聯(lián)，并被原位橋聯(lián)的海藻酸鈉（SA）封裝層徑向限制，以減少橫向皺紋導致的空隙，隨后通過拉伸使納米片軸向排列，最終獲得具有高度取向、結構致密且層間相互作用強的MXene纖維。相關論文以“Continuous MXene fibers with near-gigapascal tensile strength via radial confinement and axial stretching”為題，發(fā)表在

Nature Communications

研究團隊通過圖1所示的工藝流程，成功制備出卷狀的受限拉伸MXene（CSM）纖維（圖1b），并進一步將其編織成大面積的織物（圖1c）。性能對比顯示（圖1d），所獲得的CSM纖維實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的拉伸強度（958 MPa）和導電率（13,692 S cm?1），超越了此前報道的濕紡純MXene纖維及MXene復合纖維。同時，由CSM纖維編織的織物也表現(xiàn)出卓越的電磁干擾（EMI）屏蔽能力，其厚度歸一化屏蔽效能（SE/t）高達6,509 dB cm?1，優(yōu)于此前報道的多種聚合物、金屬、碳及MXene復合纖維織物（圖1e）。

圖1 | 受限拉伸MXene（CSM）纖維的制備過程、結構模型和性能。 a，CSM纖維的制備過程及結構模型示意圖。MXene和海藻酸鈉（SA）溶膠通過同軸濕法紡絲擠入濃度為5 wt%的氯化鈣（CaCl?）溶液中，隨后經(jīng)過連續(xù)拉伸、去離子水（DIW）洗滌和干燥，得到CSM纖維。 b, c，一卷CSM纖維（b）和一塊橫向尺寸為8 × 9 cm2的CSM織物（c）的照片。比例尺，2 cm。 d，CSM纖維（紅色星星）的拉伸強度、韌性和導電率超過了先前報道的濕紡純MXene纖維（綠色三角）和MXene復合纖維（紫色方塊）。散點圖中樣品編號對應的材料名稱、詳細數(shù)據(jù)和參考文獻列于補充表6。 e，CSM織物（紅色）的SE/t超過了先前報道的使用聚合物（黑色）、金屬（綠色）、碳（粉色）和MXene（藍色）復合纖維編織的織物。樣品編號對應的材料名稱、詳細數(shù)據(jù)和參考文獻列于補充表7。

為了揭示CSM纖維高性能的結構根源，研究人員對其微觀結構進行了深入表征。如圖2所示，與存在大量空隙、納米片皺褶明顯的普通MXene纖維（圖2a）相比，CSM纖維顯示出高度致密和高度取向的層狀結構（圖2b）。定量分析表明，CSM纖維的孔隙率（7.47%）顯著低于MXene纖維（15.3%），其納米片取向因子（0.903）也遠高于后者（0.717），同時層間距更?。▓D2c-e）。這些結果證實了徑向限制與軸向拉伸的協(xié)同作用有效抑制了毛細管收縮，消除了橫向皺紋和空隙，實現(xiàn)了納米片的緊密組裝和高度排列。

圖2 | MXene和CSM纖維的結構表征。 a, b，通過聚焦離子束切割的橫截面和軸向截面的SEM及明場TEM圖像（獨立重復三次，結構相似），以及MXene（a）和CSM（b）纖維的理論模擬對應模型快照。第一和第四列為SEM圖像，第二和第五列為TEM圖像。模型快照中不同的MXene納米片采用不同顏色進行后期渲染。從左至右比例尺依次為：10 μm, 50 nm, 20 μm, 和 10 nm。 c，MXene纖維（藍色）和CSM纖維內(nèi)部MXene層（紅色）的體積孔隙率百分比。 d，濕態(tài)（紅色）和干態(tài)（藍色）MXene及CSM纖維的赫爾曼取向因子。 e，MXene（藍色）和CSM（紅色）纖維的層間距。 數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示（適用于三個獨立實驗）。

這種優(yōu)越的微觀結構直接轉(zhuǎn)化為卓越的宏觀性能。力學測試表明（圖3a,b），CSM纖維不僅具有極高的拉伸強度和楊氏模量，其韌性和斷裂應變也大幅提升。得益于致密取向的結構縮短了電子傳輸路徑并促進了層間電子傳輸，CSM纖維的導電率也達到最高。此外，CSM纖維還表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性（圖3c）、抗循環(huán)拉伸/彎曲疲勞性（圖3d）以及抗超聲損傷能力。在焦耳加熱測試中（圖3e），CSM纖維能快速升溫并保持穩(wěn)定的循環(huán)加熱性能。與易在彎折時開裂甚至斷裂的普通MXene纖維不同，即使打結的CSM纖維也能保持結構完整并正常點亮LED燈（圖3f），展現(xiàn)了其在柔性導線中的應用潛力。

圖3 | MXene和CSM纖維的性能。 a，MXene和CSM纖維的典型拉伸應力-應變曲線。 b，雷達圖比較MXene（藍色）和CSM（紅色）纖維的拉伸強度、楊氏模量、韌性、應變和導電率。 c，MXene和CSM纖維在100%相對濕度的潮濕空氣中儲存時，電導保持率隨時間的變化。 d，在50 MPa應力幅值和1 Hz加載頻率下，MXene和CSM纖維的失效循環(huán)次數(shù)與最大應力水平的關系。 e，CSM纖維在4 V電壓下循環(huán)開關焦耳加熱過程中的溫度隨時間變化。 f，彎曲的MXene纖維和打結的CSM纖維的SEM圖像（獨立重復三次，結構相似）。比例尺，左圖20 μm，右圖50 μm。

將CSM纖維編織成紡織品后，其功能特性得到進一步體現(xiàn)。如圖4所示，CSM織物表現(xiàn)出極高的EMI屏蔽效能，且其主要屏蔽機制為吸收（圖4a-c）。該屏蔽性能在多次循環(huán)彎曲（圖4d）和洗滌后仍能高度保持。同時，CSM織物在不同變形狀態(tài)下均能保持穩(wěn)定高效的焦耳加熱性能（圖4e），并顯示出良好的生物相容性。

圖4 | CSM織物的電磁干擾屏蔽和焦耳加熱性能。 a，108微米厚和216微米厚的CSM織物的電磁干擾屏蔽效能隨頻率的變化。插圖顯示了108微米厚CSM織物的SEM圖像（獨立重復三次，結構相似）。比例尺，1 mm。 b，108微米厚和216微米厚CSM織物在8.2 GHz頻率下的吸收屏蔽效能（SEA，藍色）、反射屏蔽效能（SER，粉色）和總屏蔽效能（SEtotal，紅色）。CSM織物的屏蔽主要貢獻來自吸收。 c，示意圖說明CSM織物的電磁干擾屏蔽機制，包括反射和吸收。 d，CSM織物在0°至180°循環(huán)彎曲過程中，電磁干擾屏蔽效能保持率隨循環(huán)次數(shù)的變化。 e，平坦、彎曲和扭曲的CSM織物的焦耳加熱性能保持率。插圖顯示了這些織物在8 V電壓下加熱的光學和紅外圖像。比例尺，2 cm。

綜上所述，該研究通過一種連續(xù)的協(xié)同策略，成功解決了MXene納米片在組裝成宏觀纖維時因橫向皺紋產(chǎn)生空隙和排列不佳的難題，制備出了具有高強度、高導電性及優(yōu)異環(huán)境穩(wěn)定性的MXene纖維。由此纖維編織的大面積織物集成了非凡的電磁干擾屏蔽、焦耳加熱、使用穩(wěn)定性和生物相容性。這項研究不僅為MXene在可穿戴智能紡織品領域用于電磁屏蔽和電熱管理的實際應用鋪平了道路，也為其他二維納米片規(guī)?；M裝成高性能纖維提供了新途徑。